(57)【要約】  安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を提供することを目的とする。そのための燃料電池装置は、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、備える。
2011040182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の反応により発電する発電部と、
前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記発電部は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを有し、前記燃料極と前記空気極にそれぞれ水素、酸素を供給することによって生じる反応によって発電することを特徴とする請求項１に記載の燃料電離装置。
【請求項３】
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記還元制御部は、前記燃料電池本体において電気分解により水素を発生させる際に用いる電力を供給し、
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材の還元速度の変化に基づき、前記電力の供給を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記還元制御部は、前記電力を供給する定電流部を備え、
前記還元制御部は、前記定電流部の出力電圧に基づき、前記還元速度の変化を検知することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧の時間に対する変化量が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記水素発生部材は、反応により水素を発生する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記水素発生部材は、前記燃料極と接合され、又は前記燃料極との間に一定の空間を設けて、配置されていることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃料電池本体は、前記水素発生部材の水素放出面以外の面に接した加熱部材を更に設け、前記加熱部材による加熱によって前記水素発生部材の温度を上昇させ、前記反応による水素の発生を促すことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関し、特に水素発生部材を有する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。【０００３】
また、燃料電池は、水素と空気中の酸素から電力を取り出すものであり、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高い為、省エネルギーになるだけでなく、発電時の排出物が水のみであり二酸化炭素や窒素酸化物を排出しない為、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。【０００４】
このような燃料電池は、典型的に、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を燃料極と空気極とで両側から挟みこみ、その外側を一対のセパレータで挟持して形成されたものを１つのセル構成としている。そして、セルには、燃料極に燃料ガスである例えば水素を供給する水素流路、及び空気極に空気を供給する空気流路が設けられ、これらの流路を介して水素、空気（酸素）をそれぞれ燃料極、空気極に供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。【０００５】
しかしながら、燃料電池は、その燃料である例えば水素を供給する為のインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールにおいてもその流通には年月を要するといった問題がある。【０００６】
そこで、このような問題に対応する為、特許文献１では、所定の金属微粒子に水を反応させることで水素を発生する水素発生部材を燃料電池本体に設け、該水素発生部材で発生した水素を燃料極に供給する方法が提案されている。この方法では、水素発生に必要となる水を燃料電池本体内で発電により生成された水から賄う為、水の携行が不要となる。水素発生部材で発生した水素は燃料極に供給され、燃料極では、供給された水素を酸化し発電することによって再び水が生成されるといった循環の利用形態となり、外部から水素を供給することを必要とせず発電動作の持続を可能とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−９９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されている構成においては、発電に伴い、水素発生部材の酸化が進行し、水素発生能力が低下する。例えば、水素発生部材として、鉄（Ｆｅ）を用いた場合、下記式（２）に示すように、鉄（Ｆｅ）は水（Ｈ２Ｏ）との反応により酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）に変化し、水素発生部材に占める鉄（Ｆｅ）の割合が低下する。この為、やがては発電を停止し再起困難となる。よって特許文献１に記載している構成では、鉄（Ｆｅ）の酸化が進行して水素発生能力が低下した場合は、水素発生部材を取り出して新しい水素発生部材と交換する手間が生じる。【０００９】
４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４          （２）
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記に記載の発明によって達成される。【００１１】
水素と酸素の反応により発電する発電部と、
前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、を備える構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部により、酸化された水素発生部材を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態における燃料電池装置で行われる発電動作と再生動作の流れを示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態における還元反応制御方法の一例による還元反応時間に対する還元反応速度及び定電流部の出力電圧の関係を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態における還元反応制御方法の別の例による還元反応時間に対する還元反応速度及び定電流部の出力電圧の関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態における燃料電池装置を説明する。尚、本発明は、該実施の形態に限られない。
【００１５】
最初に、実施形態における燃料電池装置の構成を図１を用いて説明する。図１は、実施形態における燃料電池装置１の概略構成を示す模式図である。
【００１６】
燃料電池装置１は、図１に示すように、燃料電池本体１０、還元制御部２０等から構成される。尚、図１において、燃料電池本体１０は断面模式図、還元制御部２０はブロック図で示す。
【００１７】
燃料電池本体１０は、電解質膜１０１、燃料極１０２、空気極１０３、水素発生部材１０５、ヒータ１０７、温度センサ１０８、及びカバー部材１１０等から構成される。
【００１８】
燃料電池本体１０は、電解質膜１０１の両面に燃料極１０２と空気極１０３を接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜・電極接合体）構造である。これらの電解質膜１０１、燃料極１０２、空気極１０３の３つによって、発電部１０４が構成される。
【００１９】
燃料極１０２側には燃料極１０２に燃料ガスである水素を供給する水素発生部材１０５が設けられ、空気極１０３側には空気極１０３に酸化剤ガスである空気を供給する空気流路１２１が形成されている。ここで、燃料としては水素やメタノール等、また、酸化剤ガスとしては酸素を含有するガスを用いることができる。本実施形態においては、燃料、酸化剤ガスとしてそれぞれ水素、空気を用いる。
【００２０】
電解質膜１０１の材料としては、安定化イットリアジルコニウム（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質、ナフィオン（デュポン社の商標）やカチオン導電性、アニオン導電性の固体高分子電解質等を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。
【００２１】
電解質膜１０１の成膜方法としては、固体酸化物電解質の場合は、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、固体高分子電解質の場合は、塗布法等を用いることができる。
【００２２】
燃料極１０２、空気極１０３は、何れも電解質膜１０１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）と触媒層に積層されたカーボンペーパ等の拡散電極から構成される。燃料極１０２、空気極１０３の形成方法としては、例えば蒸着法を用いることができる。
【００２３】
水素発生部材１０５としては、化学反応（例えば酸化）によって水素を発生するＦｅやＭｇ合金、分子の構造によって水素を脱吸着できるカーボンナノチューブ等を用いることができるが、本実施形態においては、酸化により水素を発生するＦｅを用いる。また、水素発生部材１０５は、水素を発生させるだけでなく、水素を吸蔵（吸着）できるものでもよい。この場合、水素発生部材１０５から水素を発生させた後、吸蔵（吸着）作業を行うことで、繰り返し水素発生部材１０５を用いることができる。水素を吸蔵できる材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇ等を基材料とする水素吸蔵合金を用いることができる。
【００２４】
ここで、水素発生部材１０５の水素を放出する放出面１０５ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａは、対向し図示しないビーズ等のスペーサにより一定の間隔で平行に配置され、水素発生部材１０５の放出面１０５ａは水素を面状に放出する。
【００２５】
具体的には、水素発生部材１０５の放出面１０５ａを除く全面に接して配置されたヒータ１０７により、水素発生部材１０５全体の温度を一様に上昇させることで、放出面１０５ａから水素を面状に放出させることができる。これにより、水素発生部材１０５は、その放出面１０５ａの略全面から水素を燃料極１０２の供給面１０２ａの略全面に向けて放出することができる。
【００２６】
また、水素発生部材１０５の水素発生速度は、放出面１０５ａ上の位置に依らず、略一定になるようにする。具体的には熱化学平衡を用いる。水素発生部材１０５の温度を昇降させると、平衡状態からのずれに応じた水素を発生させることができるので、水素発生部材１０５全体の温度を、ヒータ１０７を用いて均一にすることで、場所に依らず一定の速度で水素を発生させることができる。
【００２７】
また、化学平衡を用いると、燃料極１０２と水素発生部材１０５との間の空間部１２５の電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にしておくことでも、水素発生部材１０５の水素発生速度を一定にすることができる。これは、電池起動時の水素濃度が場所に依らず一定であれば、発電部１０４から発生する電力が一定となる。つまり、水素の消費量も場所に依らず一定となる。この場合、消費された水素によって化学平衡がずれ、そのずれ量に応じた水素が新たに水素発生部材１０５から発生する。水素の消費量が場所に依らず一定なので、水素発生部材１０５からの水素発生速度も場所に依らず一定になる。
【００２８】
尚、電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にする方法は、予め燃料極１０２と水素発生部材１０５との間の空間部１２５に水素を封入しておけばよい。封入された水素は、自然に拡散し、封入された空間部１２５内での濃度が一定になる為、水素濃度を場所に依らず一定にすることができる。
【００２９】
これらにより、燃料極１０２の供給面１０２ａ全面に渡り均一な濃度の水素を供給することができるので、燃料極１０２で発生する起電力は、燃料極１０２の場所に依り異なることなく一定となる。その結果、起電力のばらつきによる出力の低下を抑え、燃料効率を高めることができる。また、水素発生部材１０５の水素発生速度は、放出面１０５ａ上の位置に依らず、略一定なるようにしているので、起電力のばらつきによる出力の低下をさらに抑えることができ、燃料効率をより高めることができる。
【００３０】
尚、本実施形態においては、水素発生部材１０５の水素を放出する放出面１０５ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａを対向させ一定の間隔で平行に配置する構成としたが、放出面１０５ａと供給面１０２ａを重ねて密着させる構成としてもよい。この場合、燃料極１０２の供給面１０２ａ全面に渡りより均一な濃度の水素を供給することができるので、起電力のばらつきによる出力の低下を確実に抑えることができ、燃料効率をより高めることができる。
【００３１】
カバー部材１１０は燃料電池本体１０を覆う容器であり、その空気極１０３側には、空気流路１２１に空気を供給する空気供給口１２２、余剰空気を排出する空気排出口１２３が設けられ、空気供給口１２２から空気を空気流路１２１に通すことで空気極１０３全体に空気が分散供給される。
【００３２】
このような構成の燃料電池本体１０は、水素発生部材１０５から燃料極１０２に水素を分散供給し、空気流路１２１から空気極１０３に空気を分散供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。また、この時、水素発生部材１０５である鉄（Ｆｅ）は酸化され酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。尚、発電動作の詳細は後述する。
【００３３】
還元制御部２０は、定電流部２０１、電圧検知部２０２、判定部２０３、及びスイッチ部２０４等から構成される。還元制御部２０は、発電停止時、燃料電池本体１０に、発電に伴い酸化が進行した水素発生部材１０５を還元させ再生するものである。
【００３４】
具体的には、還元制御部２０は、酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）に、燃料電池本体１０の発電時に生成された水（Ｈ２Ｏ）を燃料電池本体１０で電気分解させることにより生成される水素（Ｈ２）を反応させることにより、酸化された水素発生部材（Ｆｅ３Ｏ４）を還元する。
【００３５】
定電流部２０１は、燃料電池本体１０に電気分解に用いる電力を供給する。電圧検知部２０２は、定電流部２０１の出力電圧を検知する。判定部２０３は、電圧検知部２０２の検知結果に基づきスイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする。還元動作時には、外部に設けられた電源３０に還元制御部２０を接続することにより還元制御部２０へ電力が供給される。尚、還元動作の詳細は後述する。
【００３６】
ここで燃料電池装置１で行われる、発電動作、再生（還元）動作の詳細を図２を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、燃料電池装置１で行われる発電動作、再生動作の流れを示す模式図である。
【００３７】
（発電動作）
先ず、図２（ａ）に示すように、発電の初期状態として、燃料電池本体１０の空間部１２５には、水素（Ｈ２）が封入されている。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように空気供給口１２２を開け、空気流路１２１を介して空気極１０３に空気を供給すると、燃料極１０２では、空間部１２５に封入されている水素（Ｈ２）と空気極１０３でイオン化し電解質膜１０１を通過した酸素イオン（Ｏ２−）とで下記式（１）に示す反応が生じ、電子（ｅ−）が発生し蓄積される。すなわち起電力が発生し発電する。燃料極１０２と空気極１０３の間に負荷ＬＤを接続すると、燃料極１０２に蓄積された電子（ｅ−）は、空気極１０３に流れ負荷ＬＤを駆動することができる。
【００３９】
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          （１）
また、この時、式（１）で示したように、燃料極１０２では水（Ｈ２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ２Ｏ）は水素発生部材１０５（Ｆｅ）に供給され、水素発生部材１０５（Ｆｅ）では、供給された水（Ｈ２Ｏ）により下記式（２）に示す反応が生じ、水素（Ｈ２）を発生する。そして、発生した水素（Ｈ２）は燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水素（Ｈ２）を酸化し発電することによって再び水（Ｈ２Ｏ）が生成されるといった循環の利用形態となり発電動作が持続される。
【００４０】
このように燃料極１０２と水素発生部材１０５（Ｆｅ）とが対面して配置されており、両者の間で水素（Ｈ２）と水（Ｈ２Ｏ）の循環利用が行われるため、水素（Ｈ２）や水（Ｈ２Ｏ）を循環させるための導入機構を燃料電池本体１０の外部に設ける必要がない。その結果、燃料電池装置の小型化及びコスト削減が可能となる。
【００４１】
４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４          （２）
尚、この時、水素発生部材１０５は、鉄（Ｆｅ）が酸化され酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。
【００４２】
このような状態で、図２（ｃ）に示すように、空気供給口１２２を閉じ、空気極１０３への空気の供給を停止すると、発電を停止させることができる。この時、空間部１２５には、前述の式（１）、式（２）の反応によりそれぞれ生成された水（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）が残留する。
【００４３】
（再生動作）
燃料電池本体１０が発電停止時、図２（ｃ）に示した状態で、図２（ｄ）に示すように、還元制御部２０より燃料電池本体１０の燃料極１０２と空気極１０３の間に電圧を印加し通電すると、燃料極１０２では、空間部１２５に残留している水（Ｈ２Ｏ）と通電により供給された電子（ｅ−）とで下記式（３）に示す反応が生じ、電気分解により水素（Ｈ２）が発生する。
【００４４】
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋Ｏ２−          （３）
そして、発生した水素（Ｈ２）は水素発生部材１０５に供給され、水素発生部材１０５では、供給された水素（Ｈ２）により下記式（４）に示す反応が生じ、水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）は還元され鉄（Ｆｅ）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に増加し、水素発生部材１０５は再生される。
【００４５】
４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４→４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ          （４）
また、この時、式（４）で示したように、水素発生部材１０５では水（Ｈ２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ２Ｏ）は燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水（Ｈ２Ｏ）を電気分解することによって再び水素（Ｈ２）が生成されるといった循環の利用形態となり再生動作が持続される。
【００４６】
ところで、このような再生動作においては、還元反応をいつ停止させるかが重要である。還元反応は吸熱反応でもあるため、反応を促進するためには継続して高温加熱することが必要である。しかし、長時間還元反応を継続させると、燃料電池装置１が搭載される機器へ影響を及ぼす。また、過度の還元反応は、燃料極１０２、空気極１０３、及び水素発生部材１０５等の特性を劣化させるといった問題がある。この為、還元反応の制御を適切に行う必要がある。以下に、燃料電池装置１で行われる還元反応制御の方法を説明する。
【００４７】
（還元反応制御方法１）
図１、及び図３を用いて還元反応制御方法の一例を説明する。図３は、還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係を示す模式図である。
【００４８】
水素発生部材１０５における還元反応速度は、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に一定量変化した場合低下する（図３中、Ｐ１点）。反応速度が低下すると生成される水の生成速度が低下し、燃料極１０２への水の供給速度が低下する。その結果、燃料極１０２で行われる電気分解の速度が低下し、電子（ｅ−）が流れ難くなる。電子が流れ難くなると定電流部２０１の出力電圧が上昇する。
【００４９】
つまり、水素発生部材１０５中の鉄（Ｆｅ）の割合すなわち還元反応時間と還元反応速度は一定の関係を有し、還元反応速度と定電流部２０１の出力電圧は一定の関係を有することになる。
【００５０】
そこで、判定部２０３は、電圧検知部２０２で検知される定電流部２０１の出力電圧の還元反応時間に対する変化量と予め設定しておいた閾値とを比較し、変化量が閾値を上回った時（図３中、Ｐ２点）、スイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給を停止させる。これにより還元動作は停止する。
【００５１】
このように還元反応制御方法１においては、定電流部２０１の出力電圧の時間に対する変化量が閾値を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるので、過度の還元反応を防止することができる。
【００５２】
（還元反応制御方法２）
図１、及び図４を用いて還元反応制御方法の別例を説明する。図４は、還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係を示す模式図である。尚、図４における還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係は、図３の場合と同様なのでその説明は省略する。
【００５３】
燃料極１０２に印加できる電圧には、上限がある。本来、燃料電池本体１０で行われる化学反応（還元）に必要な酸素イオン（Ｏ２−）のみが電解質膜１０１を通過するよう、定電流部２０１から燃料極１０２に電子（ｅ−）が供給されればよい。しかし、燃料極１０２に印加する電圧がこの上限値を上回ると、還元に寄与しない電子（ｅ−）が燃料極１０２から流れだし、燃料極１０２が劣化してしまう。
【００５４】
そこで、判定部２０３は、電圧検知部２０２で検知される定電流部２０１の出力電圧と予め設定しておいた閾値Ｖｒ（上限値）とを比較し、出力電圧が閾値Ｖｒを上回った時（図４中、Ｐ２点）、スイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給を停止させる。これにより還元動作は停止する。
【００５５】
このように還元反応制御方法２においては、定電流部２０１の出力電圧が閾値Ｖｒ（上限値）を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるので、過度の還元反応を防止することができる。
【００５６】
このように本発明の実施形態における燃料電池装置１においては、発電により生成された水（Ｈ２Ｏ）と反応させることにより水素（Ｈ２）を発生し、発生した該水素（Ｈ２）を燃料極１０２に供給する水素発生部材１０５を有する燃料電池本体１０と、該燃料電池本体１０に、水（Ｈ２Ｏ）との反応により酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）を還元させる還元制御部２０と、を備える構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材１０５（Ｆｅ）の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部２０により、酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置１を実現することができる。
【００５７】
また、再生動作においては、定電流部２０１の出力電圧の時間に対する変化量が閾値を上回った時や定電流部２０１の出力電圧が閾値Ｖｒ（上限値）を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるようにしたので過度の還元反応を防止することができる。その結果、安全、且つ高い性能を維持することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  燃料電池装置
１０  燃料電池本体
１０１  電解質膜
１０２  燃料極
１０３  空気極
１０４  発電部
１０５  水素発生部材
１０７  ヒータ
１０８  温度センサ
１１０  カバー部材
１２１  空気流路
１２２  空気供給口
１２３  空気排出口
１２５  空間部
２０  還元制御部
２０１  定電流部
２０２  電圧検知部
２０３  判定部
２０４  スイッチ部
３０  電源
ＬＤ  負荷
【図１】
2011040182.tif 000003
【図２】
2011040182.tif 000004
【図３】
2011040182.tif 000005
【図４】
2011040182.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月20日(2011.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記発電部は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを有し、前記燃料極と前記空気極にそれぞれ水素、酸素を供給することによって生じる反応によって発電することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記還元制御部は、前記燃料電池本体において電気分解により水素を発生させる際に用いる電力を供給し、
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材の還元速度の変化に基づき、前記電力の供給を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記還元制御部は、前記電力を供給する定電流部を備え、
前記還元制御部は、前記定電流部の出力電圧に基づき、前記還元速度の変化を検知することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧の時間に対する変化量が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記水素発生部材は、反応により水素を発生する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記水素発生部材は、前記燃料極と接合され、又は前記燃料極との間に一定の空間を設けて、配置されていることを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃料電池本体は、前記水素発生部材の水素放出面以外の面に接した加熱部材を更に設け、前記加熱部材による加熱によって前記水素発生部材の温度を上昇させ、前記反応による水素の発生を促すことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明によれば、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御する構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部により、酸化された水素発生部材を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を実現することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月9日(2011.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極を有し、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記燃料極と密着させて又は前記燃料極との間に一定の空間を設けて前記燃料極に対向配置され、発電によって前記燃料極で生成された水との反応により水素を発生し、該水素を前記燃料極に供給する水素発生部材とを有する燃料電池本体と、
前記水との反応により酸化された前記水素発生部材を水素との反応によって還元させるよう制御する還元制御部を備えた燃料電池装置であって、
前記還元制御部は、還元により前記水素発生部材で生成された水を電気分解するための電力を前記燃料極に供給し、
前記水の電気分解により発生した水素が酸化された前記水素発生部材と反応することにより前記水素発生部材が還元されることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記還元制御部は、前記水の電気分解を実行させるための電力を供給する定電流部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを有し、前記燃料極と前記空気極にそれぞれ水素、酸素を供給することによって生じる反応によって発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、
前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御するものであり、前記燃料電池本体において電気分解により水素を発生させる際に用いる電力を供給し、酸化された前記水素発生部材の還元速度の変化に基づき、前記電力の供給を制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
前記還元制御部は、前記電力を供給する定電流部を備え、
前記還元制御部は、前記定電流部の出力電圧に基づき、前記還元速度の変化を検知することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧の時間に対する変化量が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記水素発生部材は、反応により水素を発生する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記水素発生部材は、前記燃料極と接合され、又は前記燃料極との間に一定の空間を設けて、配置されていることを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃料電池本体は、前記水素発生部材の水素放出面以外の面に接した加熱部材を更に設け、前記加熱部材による加熱によって前記水素発生部材の温度を上昇させ、前記反応による水素の発生を促すことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
燃料極を有し、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御す
る還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、
前記還元制御部は、還元により前記水素発生部材で生成された水を電気分解するための電力を前記燃料極に供給し、
前記水の電気分解により発生した水素が酸化された前記水素発生部材と反応することにより前記水素発生部材が還元されることを特徴とする燃料電池装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明によれば、燃料極を有し、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、前記還元制御部は、還元により前記水素発生部材で生成された水を電気分解するための電力を前記燃料極に供給し、前記水の電気分解により発生した水素が酸化された前記水素発生部材と反応することにより前記水素発生部材が還元される構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部により、酸化された水素発生部材を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を実現することができる。
【国際調査報告】
2011040182.tif 000007
2011040182.tif 000008